Rydberg atom networks for quantum technologies [Reti atomiche Rydberg per le tecnologie quantistiche]
Gli atomi di Rydberg sono destinati a diventare validi candidati per il progresso delle tecnologie quantistiche. Il loro principale vantaggio risiede nelle forti interazioni dipolari tra più atomi, che portano a fenomeni come la “blockade" e la facilitazione di Rydberg. Oltre a queste notevoli interazioni, i progressi nel campo delle pinzette ottiche hanno reso la piattaforma di Rydberg ideale per tecnologie scalabili, grazie alla loro capacità di manovrare singoli atomi in reti mono e bidimensionali. L'utilità degli atomi di Rydberg confinati nelle pinzette ottiche consente la loro applicazione nei pilastri chiave dell'attuale rivoluzione quantistica: calcolo, simulazione, comunicazione e metrologia. Questa tesi esplora simulazioni teoriche di eccitazioni di Rydberg. Ispirati dall'Atomtronica, che cerca di emulare dispositivi elettronici utilizzando correnti di onde di materia, proponiamo schemi per dimostrare un nuovo metodo in cui la corrente venga ottenuta tramite la propagazione di eccitazioni di Rydberg attraverso circuiti composti da atomi confinati in pinzette ottiche. Il lavoro mira a gettare le basi per nuovi dispositivi atomtronici: in primo luogo, per sviluppare componenti circuitali e, successivamente, un sensore quantistico per campi elettrici. La premessa per l'ideazione di tali dispositivi risiede nella forte interazione dipolare tra atomi di Rydberg adiacenti, determinando la “Rydberg blockade", una variazione del livello energetico di Rydberg che impedisce l'eccitazione simultanea di atomi vicini. Per mitigare questo fenomeno, è possibile introdurre un detuning laser per contrastare la variazione di energia, meccanismo noto come facilitazione di Rydberg, in cui sia il controllo locale del detuning laser, sia il posizionamento preciso degli atomi mediante pinzette ottiche sono essenziali. I dispositivi proposti dipendono da entrambi i fenomeni per gestire le eccitazioni, generarne un flusso non reciproco e facilitare il processo decisionale, funzionando così come componenti elettronici come interruttori, diodi e un set di porte logiche universali. Le nostre simulazioni sfruttano parametri sperimentali realistici per dimostrare la robustezza al rumore e un funzionamento più rapido rispetto alle controparti basate sulla propagazione di materia. Nel contesto del rilevamento quantistico, proponiamo un sensore di campo elettrico composto da una rete dia atomi di Rydberg disposti in un array bidimensionale e configurabile di pinzette ottiche. Il sensore sfrutta la dipendenza dello Stark-shift dei livelli di Rydberg dal campo elettrico, che modifica efficacemente le interazioni dipolo-dipolo e quindi i raggi di “blockade". Il nostro metodo di rilevamento si basa su misure locali delle eccitazioni di Rydberg di singoli atomi, per determinare il valore assoluto del campo elettrico, mentre correlatori a due punti vengono utilizzati per misurare campi spazialmente variabili. Lo schema alterna regioni di riferimento, insensibili al campo elettrico, a regioni sensibili, consentendo la normalizzazione in-shot, il controllo sistematico degli errori e un ampio intervallo dinamico determinato dalle specie atomiche e dalle distanze interatomiche. Tutti gli osservabili vengono rilevati utilizzando tecniche di misurazione standard nelle odierne piattaforme di Rydberg basate su pinzette ottiche, che offrono prospettive concrete per una rivelazione del campo elettrico single-shot e multicanale, con precisione controllabile.
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